CN101261435A - 全光纤时分复用型转镜转速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全光纤时分复用型转镜转速传感器，包括计算机1，光源驱动器2，光源3，探测器4，电处理模块5，较长的带准直器光纤跳线6，1×N光纤耦合器8，带准直器的N条光纤跳线9，排架10和耦合器与探测器之间的连接光纤7。在高速转镜摄影机第二物镜12附近以一定的角度放置光纤跳线6，当转镜转动时通过光纤跳线6中的光经转镜13反射到在以一定的间隔固定在离转镜不远处排架10上N条光纤跳线9之一的准直器中，返回到耦合器8中继续传播到连接光纤7，入射到探测器4形成全光纤分时复用型单探测结构。其目的是提供一种灵敏度较高，发射激光功率发射不大，操作方便，可实时工作的方式测量胶片面上成像点对应时刻的即时线转速。

Description

全光纤时分复用型转镜转速传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，它特别涉及全光纤时分复用型转镜转速传感器。

背景技术

转镜式高速摄影机有纳秒级的时间分辨本领，良好的空间分辨率，还有与被摄目标可以准确同步、使用可靠、操作简单等其他优点。因此它在高速摄影仪器中占据重要的地位，被广泛应用于爆炸力学、高压物理、实验室等离子体、火花放电、新型激光光源和激光光谱学等领域的研究(见谭显祥，光学高速摄影侧试技术，第一版，科学出版社，1990年)。实验测试工作中，转镜相机主要用于测量被摄事件各部分间的微小时间差异或几个独立事件之间的时间间隔。相机像面上的扫描速度是时间测量的基准。转镜式高速相机同步与速度传感器组件是转镜式高速相机的关键部件，其任务是完成转镜旋转速度和所处位置的信号传感，使转镜式高速相机的控制系统能在此基础上发出控制指令，使转镜式高速相机完成拍摄任务(满光明，叶玉堂等.高速转镜相机转速测量的同步传感系统.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.1：11-14)。

相机基本结构如图1所示。被摄目标经透镜组、夹缝和转镜后成像在胶片面上。转镜转动过程中，被摄目标随时间的变化现象以二维图像的形式在胶片上表现出来。由于转镜式高速摄影机中采用的反射镜都有一定的厚度，随着转镜的旋转，反射后的像在胶片面上表现为非匀速运动，像的轨迹是一条Pascal蜗线，扫描速度方程为v＝2Lω(1+a/Lcos(θ))(1)其中L为相机的结构常量，a为转镜厚度的1/2，θ为入射主光轴与镜面法线之间的夹角。v为转镜的角速度。

现代科学实验对时间信息的测量提出了极为严格的要求，对于高速转镜相机而言，其像面上的扫描速度是时间测量的基准，为准确地分析相关物理现象，不仅需要精确地测量转镜的转速，还要准确地测定转镜旋转一周内的扫描速度。目前常常通过测量相机转镜角速度ω的方法，再由公式(1)间接得到像面上的扫描线速度v。此外，相机还需要一个精确的同步信号，以提高相机控制系统的精确度。同步信号可以采用速度传感中的一路信号，容易实现。

采用传统的相机传感器，如转镜角速度光电传感器、转镜角速度磁场传感器，在测量精度及机械稳定性上都不理想。转轴角速度光电传感器如图2所示。该光电传感器实现方法是在转镜转轴上打孔，转轴一端固定激光器，另一端固定光探测器。转镜每转动半周，孔的轴心方向和激光束方向平行，探测器便会输出一个脉冲信号，该脉冲经过放大、整形后，求出相邻两脉冲的时间间隔ΔT，从而转镜角速度ω＝π/ΔT。这种方法在实际应用中，如果孔太小，则转镜的抖动会造成探测器接收不到光脉冲；如扩大孔径，脉冲上升沿的漂移就会变得严重。同时如果该方法所使用的探测器光敏面较小，转镜的抖动可能会造成探测器接收不到光信号，所以要采用光敏面较大的探测器，这又会降低探测器的光响应速率，因而传感精度较低。此外，激光器和探测器都需要安装在靠近转轴的地方，转镜需要润滑油，高速转动过程中，光路很容易受到污染，造成系统工作不稳定。

转镜磁场传感器的实现方法是在转镜转轴上打孔，孔内固定一个良磁体，在转轴附近安装有感应线圈。转镜在转动过程中，磁体跟随转轴旋转，转镜每转过一周，感应线圈内便会产生一个交变电流信号。同样，转镜角速度通过ω＝2π/ΔT求得。这种方法有很多弊端，因为转镜需要通过特种高速电机来驱动，因而在应用中该传感系统会给电机磁场带来干扰，同时传感器本身会受到外界的电磁干扰，导致测试结果误差较大；另外，通过磁场感应所获得的信号，其上升沿变化缓慢，“信号已到”的判别，误差就会较大；再者，转镜转轴本身直径比较小，安装该传感系统后将会降低转镜的机械稳定度。该系统难以满足现代科技对目标瞬变现象时间精度的严格要求。由于种种原因，高速旋转状态下的转镜，其速度不可避免地产生一定的波动，采用上述两种方法，至少也是在转镜旋转半周后传感器才会获得一个信号，即只能得转镜的转速，而不能测量转镜旋转一周内的扫描速度，且转速测量的不确定度只有千分之三，得到的测量结果不能满足现代科学分析对时间精度的需求。此外，在转镜相机中，为了机械加工的方便，胶片面采用与蜗线密合的圆周线代替蜗线，这意味着式(1)中的v仅是胶片面上扫描线速度的一个近似值，所以测量结果存较大的偏差。为了克服传统的相机传感器测量结果精度低等缺陷，中国发明专利(02133995.3，一种测量扫描式转镜高速摄影机瞬时扫描速度的方法)将激光成像在胶片边缘，然后手工测量像点之间距离，费时费工，精度有一定程度的提高。文献(满光明，叶玉堂等.高速转镜相机转速测量的同步传感系统.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.1：11-14)将接收光纤固定在胶片边框上，空间光路较远且发射激光功率大，采用阵列探测法，精度进一步提高。

发明内容

本发明采用全光纤时分复用型单探测结构，其目的是提供一种灵敏度较高，发射激光功率不大，操作方便，可实时工作的方式以方便地测量胶片面上成像点对应时刻的即时线转速，满足瞬变的转镜转速传感器要求。本发明的技术方案是用如下方法实现的；包括计算机1，光源驱动器2，光源3，探测器4，电处理模块5，较长的带准直器光纤跳线6，1×N光纤耦合器8，带准直器的N条光纤跳线9，排架10和耦合器与探测器之间的连接光纤7(如图2所示)。在高速转镜摄影机第二物镜12附近以一定的角度放置光纤跳线6，当转镜转动时通过光纤跳线6中的光经转镜13反射到在以一定的间隔固定在离转镜不远处排架10上N条光纤跳线9之一的准直器中，即光纤跳线6和光纤跳线9之间构成空间光路，返回到耦合器8中继续传播到连接光纤7，入射到探测器4形成全光纤分时复用型单探测结构。

本发明的工作原理：如图2所示，计算机1控制光源驱动器2使光源3发射稳定的连续激光。激光通过光纤跳线6，经转镜13反射；当转镜转动时某时刻总有一束反射光入射到光纤跳线9之一的准直器中，返回到耦合器8中继续传播到连接光纤7，入射到探测器4被它转换为电信号，由电处理模块5转换为数字信号供计算机1分析处理。光纤跳线9的第一跳线和光纤跳线6之间构成空间光路的信号作为传感器的同步信号，相邻信号之间的时间差作为计算转镜转动的时间依据。由于在放置光跳线9后将转镜匀速转动获得相邻信号之间的时间差计算出相邻跳线之间的间隔距离作为标准，以后的测量依此为依据就能计算一周内的动态扫描速度。

激光通过空间光路会损耗能量，空间光路越长，损耗呈几何数量增加，所以减少空间光路长度是提高传感器性价比的关键。当把入射光和接收光装置均放置在转镜附近时空间光路最短，这样可以减低入射激光功率且探测器反而接收到较强的光信号，选用白光光源也能满足测量要求。设转镜扫描速度v，光纤跳线9的准直器处的线速度为Av，A为准直器所处的半径与转镜所处的同心半径之比，探测器带宽Δ，A/D采样频率Δ/m，由信号处理知识得m大于等于2，准直器有效直径d，这样转镜扫描准直器时A/D采集的数据个数n为：

n＝dΔ/(mAv)(2)

一般取n至少三个数据为依据设计传感器参数。

式(2)说明在准直器有效直径和转镜扫描速度一定的情况下，缩短空间通道可以获得多的信号数据个数，反之在需要信号个数一定的情况下，缩短空间通道也可以降低A/D采样频率和探测器带宽。进一步缩短光纤跳线9的准直器与转镜之间的光程，在保证转镜扫描准直器时A/D采集的数据个数不变的情况下，其传感器的灵敏度便没有降低，只不过转镜扫描准直器时A/D采集的前段和后段数据的噪声比较大，由于计算以中段数据为依据，所以不影响传感器的精度和灵敏度，而且A/D采样频率和探测器带宽相应降低，选用白光光源，其性价比更高。

上述的光源3优选全固态光源；

上述的1×N光纤耦合器8优选功分比均分；

上述的探测器4及电处理模块5优选光通信的收模块；

本发明的优点：

①、传感器空间光路极短，选用白光光源，较低A/D采样频率，自动在线测量转镜高速摄像机即时线速度。

②、几个支路采用时分复用方式由一个探测器探测，提高了计算时间间隔的精度。

③、传感器的有源器件远离高速摄影机，提高了抗干扰的能力。

附图及附图说明

图1是高速转镜相机基本结构示意图；

图2是本发明传感器结构示意图；

图3是本发明传感器转镜一转测试的t-V关系图。

图中标号说明如下：

1-计算机  2-光源驱动器  3-光源  4-探测器  5-电处理模块  8-1×N光纤耦合器9-带准直器的N条光纤跳线  6-较长的带准直器光纤跳线  12-连接光纤11-高速转镜摄影机的第一物镜  12-第二物镜  13-转镜  14-底片边框  15-夹缝7-耦合器8与探测器4之间的连接光纤  10-排架

具体实施方式

参考图2，本发明的转镜传感器为实验样机，采用GSJ型高速相机，工作在α＝30万转/分，每转200μs，转镜扫描速度v＝600μm/μs；采用200W国家标准A光源，探测器带宽100MHz，A/D采样频率ω＝20MHz10bit，时间间隔50ns，光纤准直器有效直径d＝1.8mm，准直器所处的半径与转镜所处的同心半径之比A＝5。转镜转动扫描光纤准直器时A/D获得的数据个数为dω/(Av)＝12，光纤跳线9相邻光信号幅度由第5，6，7，8数据平均值确定，时间间隔均由数据个数乘A/D采样时间确定，时间间隔误差小于50ns，每个位置上的平均速度的测量精度达50ns/200μs＝0.025％。如图3为测试所获得的6个位置的t-V关系图，A/D采集转镜每转数据个数为ω/α＝4000，图3中压缩了无意义的数据显示。

Claims (6)

1、一种全光纤时分复用型转镜转速传感器，包括计算机(1)，光源驱动器(2)，光源(3)，探测器(4)，电处理模块(5)，1×N光纤耦合器(8)，带准直器的N条光纤跳线(9)，较长的带准直器光纤跳线(6)和耦合器(8)与探测器(4)之间的连接光纤(7)。在高速转镜摄影机转镜附近以一定的角度放置光纤跳线(6)，当转镜转动时通过光纤跳线(6)中的光经过转镜(13)反射到在以一定的间隔固定在离转镜不远处的排架(10)上N条光纤跳线(9)之一的准直器中，返回到耦合器(8)中继续传播到连接光纤(7)，入射到探测器(4)形成全光纤分时复用型单探测结构。

2、按权利要求1所述传感器，其特征在于：光源(3)优选全固态光源。

3、按权利要求1所述传感器，其特征在于：传感器中使用的耦合器是熔锥型光纤耦合器，或者波导型耦合器，功分比优选均分。

4、按权利要求1、6所述的传感器，其特征在于：传感器中使用的光纤是多模光纤，或者是单模光纤，或者是塑料光纤。

5、按权利要求1所述传感器，其特征在于：探测器(4)及电处理模块(5)优选光通信的收模块。

6、按权利要求1所述传感器，其特征在于：传感器中使用的准直器优选光纤准直器。

Images